使用數(shù)字萬用表測量電源瞬態(tài)恢復(fù)時間

作者：泰克科技技術(shù)大咖 Josh Brown

簡單地說，瞬態(tài)恢復(fù)時間是施加負載后電源恢復(fù)到設(shè)定電平所需的時間長度。不設(shè)計電源的人一般會想當(dāng)然，我們在工作中不管用的是哪種電路，可能只有在電源性能劣化到影響工作時才會注意到它。電源和人有點兒像，如果你問的問題比他知道的多，那么他可能會達不到你的預(yù)期。

我們用一個類比來幫助說明考慮電源壓力的重要性。如果有人投給你一個棒球，告訴你抓住時球要保持在同一高度，前探或后縮幾英寸(或幾厘米)，在一秒內(nèi)完成。棒球(負載)相對較輕，在抓住它時，您的手幾乎不會移動。(當(dāng)然前提是你要有一個精準(zhǔn)的投手。)

現(xiàn)在想象一下，有人投給你一個保齡球，對你的反應(yīng)提出同樣的限制。你的手不僅要移動，你的身體也要移動進行配合助力，因為重量變了。球是否導(dǎo)致你保持的高度相對于目標(biāo)高度發(fā)生變化？變化量有多大？你完全抓住并握緊球了嗎？如果不能保持在一定的高度容限內(nèi)，你能在允許的1秒間隔內(nèi)穩(wěn)定高度嗎？很明顯，這個挑戰(zhàn)要大得多(除非你是一名NFL前鋒)。類似的，如果電源上放置的負載超過其處理能力，那么它會很難滿足你的要求。

那么怎樣才知道自己跑得遠不遠呢？這時使用DMM全面表征瞬態(tài)恢復(fù)特點就成了關(guān)鍵。

在深入具體細節(jié)前，我們先討論一下開關(guān)頻率，因為這有助于確定你選擇哪種儀器來評估有問題的行為。盡管線性電源和開關(guān)式電源都受到瞬態(tài)恢復(fù)時間指標(biāo)影響，但開關(guān)式電源以預(yù)定頻率工作，自然有更多的噪聲，信號活動要更雜散。開關(guān)式電源使用的頻率范圍一般為10 kHz ~ 1 MHz。由于示波器的采樣率高，提供了優(yōu)秀的可視工具，因此示波器特別適合評估瞬態(tài)恢復(fù)時間，其中使用電平觸發(fā)捕獲事件，使用屏幕光標(biāo)進行數(shù)學(xué)和測量分析。

你可能還會考慮擁有高速采樣功能的數(shù)字萬用表，工作臺上可能已經(jīng)有這種儀器。某些DMM型號很多年前就能夠采樣高達50 kHz，較新的型號則能夠支持高達1 MHz。隨著速度而來的是有更多的高速采樣機會，因為其測量靈敏度要高于大多數(shù)示波器。

為說明怎樣測量瞬態(tài)恢復(fù)時間，我們使用德儀公司生產(chǎn)的LM25088MH-1EVL評測電路板，其能夠從高達36V的輸入電源提供5V電壓及高達7A電流。在略加改動后，我們把它重新配置成以25 kHz頻率開關(guān)。我們使用Keithley 2230A-30-3三通道DC電源其中兩條通道，提供10V輸入信號（最高6A 電流）為評測電路板供電。我們還使用Keithley 2380-500-15電子負載吸收一定量的電流。在這種情況下，我們想把LM25088MH推到其7A極限，看它如何反應(yīng)。我們使用DMM6500，先評估電子負載吸收大電流時的電壓響應(yīng)，然后再查看電流響應(yīng)。

為評估瞬態(tài)恢復(fù)電壓，我們把儀器連接如下：

在把2230A電源設(shè)置成在兩條輸出通道上輸出10V @ 3A (以確保為電源轉(zhuǎn)換提供足夠的電流)后，我們把2380電子負載設(shè)置成吸收7A的恒定電流。我們打開2230A的輸出，同時關(guān)閉2380。我們把DMM6500配置成數(shù)字化電壓，把采樣率設(shè)置成1 MS/s，數(shù)量為10k讀數(shù)，然后輕觸Set Up Trigger按鈕，出現(xiàn)波形捕獲選項，從Source Event選項中選擇Analog Edge。

由于我們預(yù)計在應(yīng)用負載時電壓會有一定下降，所以我們把電平設(shè)置成4.925 V，斜率設(shè)置成下降沿。選擇之后，我們可以使用Position選項在圖表上調(diào)節(jié)波形的水平表示。為啟動DMM6500開始監(jiān)測事件，我們輕觸屏幕左上角的CONT信號器，這時會出現(xiàn)一個下拉菜單，其中有多個觸發(fā)選面，選擇Initiate Trigger Model。

最后，我們打開2380電子負載，應(yīng)用有效步進功能，吸收7A電流。DMM6500將捕獲采樣的波形，顯示在Graph圖表一欄中。這會顯示對LM25088MH開關(guān)式電源的輸出應(yīng)用負載時的瞬態(tài)響應(yīng)。輕觸DMM6500屏幕，放大感興趣的區(qū)域，可以進一步進行評估，打開光標(biāo)，得到信號電平(y軸信息)隨時間(x軸信息)變化指標(biāo)。我們可以看到，開關(guān)式電源在大約1.5毫秒后穩(wěn)定。更有意思的是應(yīng)用負載后產(chǎn)生大的暫降，驅(qū)動輸出電壓最低達到3.466 V。

與應(yīng)用負載時的瞬態(tài)恢復(fù)同樣重要的，是在移除相同的負載時會發(fā)生什么情況。為捕獲這種情況，我們輕觸DMM6500上的Trigger標(biāo)簽，把電平變成5.1 V，斜率變成Rising上升沿?？梢韵裰耙粯樱ㄊ褂孟吕藛芜x項），或按儀器前面板DMM顯示屏左面的TRIGGER鍵，觸發(fā)DMM。然后關(guān)閉2380電子負載，可以在DMM6500圖表上看到開關(guān)式電源的恢復(fù)波形。

我們不用在顯示屏上同時啟用水平光標(biāo)和垂直光標(biāo)，而是只使用垂直光標(biāo)，滑動屏幕底部的信息條，出現(xiàn)VCurs or Stats。這會提供兩個豎條之間數(shù)據(jù)點的基本統(tǒng)計信息。因此，我們不需啟用和調(diào)節(jié)水平光標(biāo)，就可以確定移除負載時開關(guān)式電源的峰值是6.953 V。我們可以把右手光標(biāo)設(shè)置到輸出變平坦前小的暫降發(fā)生的地方，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)響應(yīng)時間大約是125毫秒。我們也可以放大峰值點區(qū)域，更好地查看電壓信號的行為方式。

現(xiàn)在我們把注意力轉(zhuǎn)向電流信號，使用同一條電路，但DMM6500與2380電子負載串聯(lián)。注意記錄，因為我們處理的是很大的電流(7 A)，我們需要使用DMM背面提供的10 A電流輸入連接.

觸發(fā)選項設(shè)置與之前類似，但現(xiàn)在我們在預(yù)計的7 A信號的中點觸發(fā)，斜率仍設(shè)置成Rising上升沿。

我們再次觸發(fā)DMM6500(通過下拉菜單)，然后打開2380電子負載 – DMM對波形事件的響應(yīng)沒問題。在移除負載時重復(fù)這個過程，我們也使用屏幕光標(biāo)迅速分析數(shù)據(jù)，顯示電流暫降到-2.5 A。

盡管我們的注意力一直放在高功率波形捕獲上，但我們?nèi)砸⒁鈹?shù)字萬用表提供的電流靈敏度優(yōu)勢。當(dāng)前設(shè)計的許多器件都必須盡可能節(jié)能，以延長電池續(xù)航時間。LM25088MH評測電路板的這條開關(guān)電路可以集成到低功率無線設(shè)計中，在跳變到不同狀態(tài)(睡眠、待機、傳感、處理等)時，必須評估各個元件吸收的弱電流。捕獲低電流波形事件的過程與上面列出的過程相同，但更低的范圍使得用戶可以監(jiān)測弱電流。例如，如果我們把負載設(shè)置成5 mA，使用DMM6500上的10 mA量程，那么我們可以查看微安級讀數(shù)。